劉志剛

SL170型旋轉(zhuǎn)水龍頭有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

劉志剛

（江蘇如石機(jī)械有限公司，江蘇如東226406）

為了研究SL170型旋轉(zhuǎn)水龍頭可能存在的結(jié)構(gòu)安全問題，利用ANSYS Workbench軟件對其進(jìn)行了有限元分析，得到了試驗(yàn)載荷下的水龍頭各部件的應(yīng)力分布情況，根據(jù)API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)校核其強(qiáng)度。分析結(jié)果表明：水龍頭的靜強(qiáng)度符合規(guī)范要求。殼體和中心管部位出現(xiàn)了部分應(yīng)力集中的現(xiàn)象，提環(huán)上部中截面應(yīng)力水平較高，銷軸截面剪切作用與壓力耦合產(chǎn)生了應(yīng)力分布不均。基于實(shí)際服役工況進(jìn)行了疲勞壽命的預(yù)測，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路，為此類水龍頭的設(shè)計提供參考。

旋轉(zhuǎn)水龍頭；有限元模型；應(yīng)力分布；疲勞壽命；優(yōu)化設(shè)計

旋轉(zhuǎn)水龍頭是現(xiàn)在油田鉆井的常規(guī)設(shè)備，它位于井架的最上部，并承受著鉆具的重力。中心管和殼體部分是主要的承載部件，在服役過程中承受著復(fù)雜的載荷，其安全性將直接影響到鉆井設(shè)備的正常使用。

對于此類水龍頭的強(qiáng)度設(shè)計一般進(jìn)行設(shè)計載荷試驗(yàn)，這種方法較為耗時耗力，且對于長期服役的設(shè)備來說，對其在額定載荷工況下的疲勞壽命難以給出有效的估計。有限元方法是進(jìn)行油井工程設(shè)備設(shè)計的行之有效的方法，在強(qiáng)度設(shè)計、疲勞壽命分析等方面［1-4］能夠給出較準(zhǔn)確的結(jié)果。有限元法不僅分析成本低廉，而且能夠根據(jù)應(yīng)力分布結(jié)合強(qiáng)度規(guī)范對設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度校核。但是，之前的研究多用來校核設(shè)備是否滿足強(qiáng)度規(guī)范，很少對于設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提出優(yōu)化方案。

本文以SL170型旋轉(zhuǎn)水龍頭為研究對象，利用有限元軟件對設(shè)計載荷作用下的水龍頭各部件的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，同時基于有限元分析結(jié)果，結(jié)合疲勞分析理論，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞壽命估計，進(jìn)而給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思路。

1　整體結(jié)構(gòu)及受力

SL170型旋轉(zhuǎn)水龍頭由5個部件組成，如圖1所示。

圖1　水龍頭有限元模型

水龍頭工作時的轉(zhuǎn)速為100 r／min，最大靜載荷為1 700 k N，額定動載荷為1 300 k N，載荷波動系數(shù)為0．5，平均工作周期為10 d，1 a工作250 d。

在強(qiáng)度校核時，根據(jù)API Spec 8C［4］，在額定載荷小于1 334 k N時，應(yīng)取安全系數(shù)為3．0，因此定義試驗(yàn)載荷為4 000 k N。

2　主要部件的模型建立及強(qiáng)度校核

利用Pro／E軟件建立模型，將各零部件導(dǎo)入ANSYS Workbench，并定義接觸關(guān)系，劃分網(wǎng)格，形成了水龍頭的有限元模型，如圖1所示。模型共有約5．2萬個節(jié)點(diǎn)，約2．8萬個實(shí)體單元及約3 000個接觸單元。模型中，殼體的材料為ZG42Cr1Mo合金鋼，其他部件的材料均為35Cr Mo A合金鋼，材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于強(qiáng)度分析不涉及熱力學(xué)、電學(xué)等物理量，故只分析其力學(xué)性能。

表1　材料屬性

進(jìn)行強(qiáng)度分析時，本文的工況設(shè)計如下：

1） 提環(huán)頂部加載4 000 k N的拉力。

2） 中心管底部采取固支邊界條件。

3） 在中心管內(nèi)側(cè)加載35 MPa的靜水壓。

4） 忽略結(jié)構(gòu)的重力載荷。

2．1 提環(huán)

提環(huán)作為主要的承載部件之一，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載的上部環(huán)形的下表面，如圖2所示。由于提耳上作用的拉力使得提環(huán)上部截面處上下表面分別產(chǎn)生了拉、壓應(yīng)力，其中最大Von-Mises應(yīng)力達(dá)到898 MPa，已接近35Cr Mo A的材料極限，但仍在安全范圍以內(nèi)。

圖2　提環(huán)應(yīng)力云圖

2．2 殼體

殼體也是主要的承載部件，其應(yīng)力分布如圖3所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在2只提耳與主體連接處，達(dá)到744 MPa，也接近了ZG42Cr1Mo的材料強(qiáng)度極限。這部分結(jié)構(gòu)外形連接處結(jié)構(gòu)尖銳，產(chǎn)生了部分應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要避免的。

圖3　殼體應(yīng)力云圖

2．3 銷軸及中心管

銷軸的應(yīng)力分布如圖4所示。由于提環(huán)和殼體之間的載荷傳遞主要由這部分承擔(dān)，故在兩者交界的截面處產(chǎn)生了較高的剪切及擠壓應(yīng)力的耦合作用，其最高應(yīng)力水平并不是在截面的一整圈都存在，而是出現(xiàn)在某一角度范圍內(nèi)的位置，其它部位應(yīng)力處于較低水平。而且該部件的最高Von-Mises應(yīng)力為498 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，因此該部件完全符合強(qiáng)度要求。

圖4　銷軸應(yīng)力云圖

中心管上部不承載，而下部承受著拉力作用，其應(yīng)力分布如圖5所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在上下部的連接面內(nèi)側(cè)，達(dá)到了835 MPa，也符合強(qiáng)度要求。這部分也是存在與殼體連接處共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此也存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

圖5　中心管應(yīng)力云圖

結(jié)合以上各部分，可以看出，在按安全系數(shù)3．0的試驗(yàn)載荷加載條件下，水龍頭的主要承載部件的最大應(yīng)力基本接近了材料的強(qiáng)度極限，僅銷軸的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限。因此，可以認(rèn)為SL170型水龍頭的靜強(qiáng)度設(shè)計符合要求，且經(jīng)濟(jì)合理，銷軸可以使用低強(qiáng)度材料制造以節(jié)約成本。

3　疲勞壽命分析

旋轉(zhuǎn)的齒輪、受橫向力轉(zhuǎn)動的軸、循環(huán)拉壓的桿件等結(jié)構(gòu)在周期載荷作用下，內(nèi)部會產(chǎn)生交變應(yīng)力，雖然該交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值低于材料的屈服極限，但是在長期服役后，結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)萌生裂紋并擴(kuò)展，最后突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞失效。水龍頭由于頻繁加卸載以及更換，或由于服役環(huán)境復(fù)雜產(chǎn)生銹蝕等原因，造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化，疲勞壽命隨之而改變。

疲勞主要取決于材料的持久極限，持久極限通過S-N曲線判斷。影響因素有構(gòu)件外形、構(gòu)件尺寸、表面粗糙度、構(gòu)件的工作環(huán)境等。

對此模型進(jìn)行分析時，按正常工作時的額定載荷1 300 k N進(jìn)行加載，載荷波動系數(shù)為0．5，周期為10 d?？紤]到礦場的惡劣環(huán)境，根據(jù)API RP 2 A，對于疲勞計算應(yīng)該留出2倍的疲勞安全系數(shù)［1］，因此定義描述在役試件和光滑試件壽命關(guān)系的疲勞強(qiáng)度因子為0．5。

圖6給出了水龍頭整體疲勞壽命云圖。從疲勞壽命圖中可以看出，在額定載荷工況下，影響整體的壽命的薄弱之處在于提環(huán)頂部及提環(huán)與殼體連接處等，疲勞壽命約為266個循環(huán)，按周期10 d，每年工作250 d計算，大約為10 a，這與現(xiàn)役的SL170型水龍頭的報廢時間大體吻合。

圖6　水龍頭整體疲勞壽命云圖

4　結(jié)構(gòu)改進(jìn)意見

根據(jù)有限元分析結(jié)果，為了延長使用壽命，應(yīng)設(shè)法降低各部件的最大應(yīng)力，可以針對以下幾部分在條件允許的情況下進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)：

1） 殼體及中心管的外形應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行圓角處理，以減小應(yīng)力集中。

2） 由于銷軸的較大應(yīng)力出現(xiàn)在接觸的某一角度范圍，因此可以在維護(hù)過程中進(jìn)行適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，避免同一截面位置一直處于高應(yīng)力水平，有助于延長使用壽命。

3） 為保護(hù)提環(huán)頂部的大應(yīng)力區(qū)，可在條件允許的情況下盡量增大吊鉤與提環(huán)之間的接觸面積。

5　結(jié)論

1） 本文使用ANSYSWorkbench軟件對SL170型旋轉(zhuǎn)水龍頭進(jìn)行了有限元分析，取得了試驗(yàn)工況下的水龍頭各部件的應(yīng)力分布情況，并預(yù)測了服役工況下的疲勞壽命。

2） 在試驗(yàn)載荷4 000 k N下，各部件的最大Von Mises應(yīng)力接近了材料極限，強(qiáng)度滿足要求。由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，服役疲勞強(qiáng)度因子偏小，因此此水龍頭的疲勞壽命低于設(shè)計壽命。

3） 本文的研究未考慮軸承及密封件等部件。今后的研究方向應(yīng)從優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以減小應(yīng)力集中，以及通過加強(qiáng)密封件等措施以提高疲勞強(qiáng)度因子，延長使用壽命等。

［1］ 吳铦敏，顏廷俊，王東，等．海上平臺在役桁架式吊機(jī)疲勞壽命評估研究［J］．石油機(jī)械，2014，42（1）：66-69．

［2］ 馮加果，李新仲，謝彬，等．基于ANSYS的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估的網(wǎng)格精度和外推方法研究［J］．石油礦場機(jī)械，2011，40（1）：15-20．

［3］ 薛明晉，陳海林，夏美忠，等．SL225型水龍頭提環(huán)的應(yīng)力與變形有限元分析［J］．石油礦場機(jī)械，2009，38（3）：41-43．

［4］ 張永澤，梁政，蔣發(fā)光，等．復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元分析強(qiáng)度判定方法［J］．石油礦場機(jī)械，2009，38（5）：5-8．

Finite Element Analysis and Structure Optimization of the SL170 Rotary Swivel

LIU Zhigang
（Jiangsu Rushi Machinery Co．，Ltd．，Rudong 226406，China）

Aiming at possible structural safety problem on SL 170 swivel，the finite element analysis of rotary swivel is established in ANSYS Workbench，the stress distribution of each components under test load are simulated，and structural strength checking based on API spec8C is also carried out．The results show that：The static strength design of SL170 swivel conforms to the intensity of specification．And the phenomenon of stress concentration appears at shell body and shaft portion．The stress level at upper middle cross-section of the bail is high．The coupling of shear and compressive load at cross section of the pin causes a non-uniform stress distribution．The fatigue life of the swivel is estimated based on the actual work condition，and the idea of optimization design is presented according to the analysis，which has some reference value in designing this class of swivels．

swivel；finite element model；stress distribution；fatigue life；optimization design

TE926．02

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．019

1001-3482（2015）02-0084-04

2014-06-18

劉志剛（1966-），男，江蘇如東人，高級工程師，現(xiàn)從事石油井口機(jī)械化技術(shù)及管理工作。

2014-07-25

徐會娟（1976-），女，吉林德惠人，高級工程師，主要從事石油鉆采設(shè)備的設(shè)計工作，E-mail：thsyhxm＠163．com。